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MPLS(Multi-Protocol Label Switching)即多協議標記交換。MPLS是一種標記(label)機制的包交換技術,通過簡單的2層交換來集成IP Routing 的控制。屬於第三代網路架構,是新一代的IP高速骨幹網路交換標準,由IETF(Internet Engineering Task Force,網際網路工程任務組)所提出,由Cisco、ASCEND、3Com等網路設備大廠所主導。MPLS是IP和ATM融合的技術,它在IP中引入了ATM的技術和概念,同時擁有IP和ATM的優點和技術特徵。

1 MPSL -簡介

  MPLS致力於解決下面的問題:Internet骨幹網的路由器瓶頸,QOS支持Traffic Engineering,VPN等。MPLS可以與現有的ATM、IP 網兼容。Internet骨幹網將逐步演進到MPLS網路,路由器和ATM交換機升級成MPLS的LSR。

  MPLS是集成式的IP Over ATM技術,即在Frame Relay及ATM Switch上結合路由功能,數據包通過虛擬電路來傳送,只須在OSI第二層(數據鏈結層)執行硬體式交換(取代第三層(網路層)軟體式routing),它整合了IP選徑與第二層標記交換為單一的系統,因此可以解決Internet路由的問題,使數據包傳送的延遲時間減短,增加網路傳輸的速度,更適合多媒體訊息的傳送。因此,MPLS最大技術特色為可以指定數據包傳送的先後順序。MPLS使用標記交換(Label Switching),網路路由器只需要判別標記后即可進行轉送處理。

  MPLS的運作原理是提供每個IP數據包一個標記,並由此決定數據包的路徑以及優先順序。與MPLS兼容的路由器(Router),在將數據包轉送到其路徑前,僅讀取數據包標記,無須讀取每個數據包的IP地址以及標頭(因此網路速度便會加快),然後將所傳送的數據包置於Frame Relay或ATM的虛擬電路上,並迅速將數據包傳送至終點的路由器,進而減少數據包的延遲,同時由Frame Relay及ATM交換器所提供的QoS(Quality of Service)對所傳送的數據包加以分級,因而大幅提升網路服務品質提供更多樣化的服務。

2 MPSL -發展簡史

IP交換技術

  由於多種原因,包括更為完整的技術規則說明、更高的時間效率以及有效的市場運作方式,IP交換技術經Ipsilon公司在1996年推出。IP交換技術能使具有ATM 交換機性能的設備執行路由器的功能。當時Ipsilon公司將他們的IP交換技術做成很多Internet RFC文檔,這使Ipsilon公司將自己的技術標榜為「開放的」。另外,通過對簡單交換控制協議(GSMP)的具體定義,能夠通過一個外加的擴展控制器將任何的>ATM 交換機轉變為「IP交換機」。

標籤交換(Tag Switching)

  就在Ipsilon宣布他們的IP交換不久,Cisco公司就宣布了其標記交換技術,不過當時的叫法是「標籤交換(Tag Switching)」。標籤交換技術和IP交換以及CSR相比,在技術上差別很大。例如,在交換機上,它並不以數據流量來設置前向表,並且不同於ATM 網路的是,對於很多的連接層技術來說,它提供了詳盡具體的說明。和Ipsilon公司相同的是,Cisco公司也做了描述的技術的RFC。但是,Cisco公司準備通過IETF將他們的技術最終實現標準化。正是為了實現這一目標,他們起草了大量的Internet 文件用來說明標籤交換技術的各個方面。正是通過Cisco的不斷努力,最終才有了我們現在所知道的MPLS工作組,並且現在MPLS成為標記交換的通用術語。

IBM的ARIS

  也是在Cisco公司宣布他們的標籤交換技術,並努力在IETF中使之成為標準化不久,IBM公司起草了一些文檔來描述另外一種新的標記交換技術,他們稱之為集中式基於路由的IP交換技術(ARIS)。和其他幾種標記交換技術相比,ARIS與Cisco公司的標籤交換技術更為相近。兩者都是採用控制流量而不是採用數據流量來設置前向表,但是,ARIS在一些方面與標籤交換也有明顯的不同。許多ARIS的思想也進入到了MPLS標準之中。

MPLS工作組

  在Cisco宣布他們的標籤交換技術的同時,他們也宣稱將要使之標準化。在他們提出了一系列有關標籤交換的Internet草案以後不久,在1996年10月份召開了一個BOF會議。當時Cisco、IBM、Toshiba均參加了這次會議。BOF會議成了IETF歷史上一次比較重要的會議。

  由於已經有多個公司生產出現非常相似的產品來解決當時網路中出現的新問題,因此將這一技術標準化成為當時會議的一個主要議題。儘管當時還有人在懷疑這些技術能否解決網路中的新問題(例如,有人認為快速路由器將會使這個問題變得更為混亂),但是,毋庸置疑的是,如果沒有一個標準化工作組,將會出現更多的互不兼容的標記交換產品,從而使市場變得更為混亂。於是草擬籌備工作組章程的工作開始了,到1997年初,終於有了一個能被IETF接受的章程,工作組的第一次會議在1997年4月份召開。

3 MPSL -MPLS的意義

提高網路使用率

  目前,中國的骨幹網帶寬的利用率在10%以下,因而,如何吸引更多的用戶使用網路資源,是運營商、服務商關心的話題。路由器製造商都看到MPLS的最佳用武之地是,把承載多種不同類型服務的網路集成為一個單一的網路。網路運營商和服務商大多認為,用MPLS統一各種服務不失為一種長遠的發展方向。

簡化IPv6實施

  現在,IPv4的地址非常缺乏,該到實施IPv6的時候了。如果先在IPv4上實現MPLS,會減小IPv6的實現難度,因為MPLS把對數據包的轉發完全脫離開來。IPv6對IPv4最主要的能力是地址空間的擴展,那麼相應的路由演算法都沒有什麼改變,轉發數據包的控制協議上也沒有什麼改變。因而,在一個把轉發和控制都清楚分開的平台上,只需改變相應的控制協議,轉發方面根本就不用改變。這樣做了之後,隨著現在的光傳輸技術的發展,網路的帶寬幾乎是無限制地在增長,比如一根光纖上可以傳到幾個T這樣的速度,這樣的話,要求網路中的轉發設備(即路由器設備)同樣要適應傳輸技術的發展,要提高得非常快。基本的手段是利用硬體轉發。而專門的轉發和控制協議脫離的體系結構也更加方便了做硬體轉發。因為只看一個包的標記的格式是固定的,也非常容易在硬體中實現,這種趨勢是MPLS在非常高速的網路中也有他的一些好處之一。因此,MPLS的實現簡化了IPv6的一些新功能。

為新廠商帶來商機

  其實,MPLS的出現,給了新的廠商、新的產品很多機會,讓它們有了新的生存空間。傳統的IP網路的割據戰已經結束,在新出現的戰場上,正好適合起點高的廠商在其中扮演角色。傳統廠商如果不是從硬體平台上有改變,在這麼寬的網路處理速度上,根本就來不及處理高速轉發。因此,在寬頻的前提條件下,必須有新的硬體平台,這就是新廠商的機會。

4 MPSL -MPLS技術及標準化進展

  多協議標記交換(MPLS)技術作為一種新興的路由交換技術,越來越受到業界的關注。MPLS技術是結合二層交換和三層路由的L2/L3集成數據傳輸技術,它不僅支持網路層的多種協議,還可以兼容第二層上的多種鏈路層技術。採用MPLS技術的IP路由器以及ATM、FR交換機統稱為標記交換路由器(LSR),使用LSR的網路相對簡化了網路層複雜度,兼容現有的主流網路技術,降低了網路升級的成本。此外,業界還普遍看好用MPLS提供VPN服務,實現負載均衡的網路流量工程。

5 MPSL -MPLS的基本原理

  (1)MPLS基礎

  MPLS將面向非連接的IP業務移植到面向連接的標記交換業務之上,實現上將路由選擇層面與數據轉發層面分離。MPLS網路中,在入口LSR處分組按照不同轉發要求劃分成不同轉發等價類(FEC),並將每個特定FEC映射到下一跳,即進入網路的每一特定分組都被指定到某個特定的FEC中。每一特定FEC都被編碼為一個短而定長的值,稱為標記,標記加在分組前成為標記分組,再轉發到下一跳。在後續的每一跳上,不再需要分析分組頭,而是用標記作為指針,指向下一跳的輸出埠和一個新的標記,標記分組用新標記替代舊標記后經指定的輸出埠轉發。在出口LSR上,去除標記使用IP路由機制將分組向目的地轉發。

  選擇下一跳的工作可分為兩部分:將分組分成FEC和將FEC映射到下一跳。在面向非連接的網路中,每個路由器通過分析分組頭來獨立地選擇下一跳,而分組頭中包含有比用來判斷下一跳豐富得多的信息。傳統IP轉發中,每個路由器對相同FEC的每個分組都要進行分類和選擇下一跳;而在MPLS中,分組只在進入網路時進行FEC分類,並分配一個相應的標記,網路中後續LSR則不再分析分組頭,所有轉發直接根據定長的標記轉發。有些傳統路由器在分析分組頭的同時,不但決定分組的下一跳,而且要決定分組的業務類型(COS:Class of Service),以給予不同的服務規則。MPLS可以(但不是必須)利用標記來支持COS,此時標記用來代表FEC和COS的結合。MPLS的轉發模式和傳統網路層轉發相比,除相對地簡化轉發、提高轉發速度外,並且易於實現顯式路由、流量工程、QoS和VPN等功能。

  (2)標記棧操作與標記交換路徑

  標記是一個長度固定(20bit/s)、具有本地意義的標識符,和另外12bit/s控制位構成MPLS包頭,也成為墊層(shim)。MPLS包頭位於二層和三層之間,通常的服務數據單元是IP包,也可以通過改進直接承載ATM信元和FR幀。

  MPLS分組上承載一系列按照「後進先出」方式組織起來的標記,該結構稱作標記棧,從棧頂開始處理標記。若一個分組的標記棧深度為m,則位於棧底的標記為1級標記,位於棧頂的標記為m級標記。未打標記的分組可看作標記棧為空(即標記棧深度為零)的分組。標記分組到達LSR通常先執行標記棧頂的出棧(pop)操作,然後將一個或多個特定的新標記壓入(push)標記棧頂。如果分組的下一跳為某個LSR自身,則該LSR將棧頂標記彈出並將由此得到的分組「轉發」給自己。此後,如果標記彈出后標記棧不空,則LSR根據標記棧保留信息做出後續轉發決定;如果標記彈出后標記棧為空,則LSR根據IP分組頭路由轉發該分組。

  LSR是MPLS網路的基本單元,軟體框架結構如圖1所示。LSR主要由控制單元與轉發單元兩部分構成,這種功能上的分離有利於控制演算法的升級。其中,控制單元負責路由的選擇,MPLS控制協議的執行,標記的分配與發布以及標記信息庫(LIB)的形成。而轉發單元則只負責依據標記信息庫建立標記轉發表(lfib),對標記分組進行簡單的轉發操作。其中,LFIB是MPLS轉發的關鍵,LFIB使用標記來進行索引,相當於IP網路中的路由表。LFIB表項的內容包括:入標記、轉發等價類、出標記、出介面、出封裝方式等。

  MPLS功能的本質是將分組業務劃分為FEC,相同FEC的業務流在標記交換路徑(LSP)上交換。一般來說,由下游節點向上游節點分發標記,連成一串的標記和路由器序列就構成了LSP。LSP的建立可以使用兩種方式:獨立方式(Independent)和有序方式(Ordered)。在獨立方式中,任何LSR可以在任何時候為每個可識別的FEC流進行標記分發,並將該綁定分發給標記分發對等體;而在有序方式中,一個流的標記分發從這個FEC流所屬的出口節點開始,由下游向上游逐級綁定,這樣可以保證整個網路內標記與流的映射完整一致。

  LSP有序控制方式和獨立控制方式應能夠相互操作。一條LSP中,如果並非所有LSR均使用有序控制,則控制方式的整體效果為獨立控制。LSR應支持兩種控制方式之一,控制方式由LSR本地選擇。

  (3)MPLS路由選擇

  這裡的路由選擇是指為特定FEC選擇LSP的選路方法,MPLS使用兩種路由方法:逐跳路由和顯式路由。逐跳路由使用傳統的動態路由演算法來決定LSP的下一跳,每個節點獨立地為FEC選擇下一跳,對於下一跳的改變由本地決定,發生故障時路徑的修復也由本地完成。顯式路由則使用流量工程技術或者手工制定路由,不受動態路由影響,路由計算中可以考慮各種約束條件(如策略、CoS等級),每個LSR不能獨立地選擇下一跳,而由LSP的入口/出口LSR規定位於LSP上的LSR。

  逐跳路由實現上比較簡單,可以利用傳統路由協議(如OSPF、IS-IS)以及現有設備中的路由功能,但對於故障路徑的恢復有賴於路由協議的匯聚時間,並且不具備流量工程能力。顯式路由可以根據各種約束參數來計算路徑,可以賦予不同LSP以不同的服務等級,可以為故障的LSP進行快速重路由,適於實現流量工程與QoS業務,能夠更好的滿足ISP的特定要求。

6 MPSL -MPLS技術應用

(1)MPLS VPN

  MPLS的一個重要應用是VPN,MPLS VPN根據擴展方式的不同可以劃分為BGP MPLS VPN 和LDP擴展VPN,根據PE(Provider Edge)設備是否參與VPN 路由可以劃分為二層VPN 和三層VPN。

  BGP MPLS VPN 主要包含骨幹網邊緣路由器(PE),用戶網邊緣路由器(CE)和骨幹網核心路由器(P)。PE上存儲有VPN的虛擬路由轉發表(VRF),用來處理VPN-IPv4 路由,是三層MPLS VPN 的主要實現者;CE上分佈用戶網路路由,通過一個單獨的物理/邏輯埠連接到PE;P路由器是骨幹網設備,負責MPLS 轉發。多協議擴展BGP(MP-BGP)承載攜帶標記的IPv4/VPN 路由,有MP-IBGP 和MP-EBGP之分。

  BGP MPLS VPN中擴展了BGP NLRI中的IPv4 地址,在其前增加了一個8位元組的RD(Route Distinguisher)來標識VPN的成員(Site)。每個VRF 配置策略規定一個VPN 可以接收來自哪些Site的路由信息,可以向外發布哪些Site 的路由信息。每個PE根據BGP擴展發布的信息進行路由計算,生成相關VPN的路由表。

  PE-CE之間交換路由信息可以通過靜態路由、RIP、OSPF、IS-IS以及BGP等路由協議。通常採用靜態路由,可以減少CE設備管理不善等原因造成對骨幹網BGP路由產生震蕩影響,保障了骨幹網的穩定性。

  目前運營商網路規劃現狀決定現有城域網或廣域網可能自成一個自治域,這時就需要解決跨域互通問題。在三層BGP MPLS VPN中引入了自治系統邊界路由器(ASBR),在實現跨自治系統的VPN互通時,ASBR同其它自治系統交換VPN 路由。現有的跨域解決方案有VRF-to-VRF、MP-EBGP和Multi-Hop MP-EBGP三種方式。

  對於二層MPLS VPN,運營商只負責提供給VPN用戶提供二層的連通性,不需要參與VPN用戶的路由計算。在提供全連接的二層VPN時與傳統的二層VPN一樣,存在N方問題,即每個VPN的CE到其它的CE都需要在CE與PE之間分配一條物理/邏輯連接,這種VPN的擴展性存在嚴重問題。

  用LDP擴展實現的二層VPN,也可以承載ATM、幀中繼、乙太網/VLAN以及PPP等二層業務,但它的主要應用是乙太網/VLAN,實現上只需增加一個新的能夠標識ATM、幀中繼、乙太網/VLAN或PPP的FEC類型即可。相對於BGP MPLS VPN,LDP擴展在於只能建立點到點的VPN,二層連接沒有VPN的自動發現機制;優點是可以在城域網的範圍內建立透明LAN服務(TLS),通過LDP 建立的LSP進行MAC地址學習。

(2)GMPLS

  隨著智能光網路技術以及MPLS技術的發展,自然希望能將二者結合起來,使IP分組能夠通過MPLS的方式直接在光網路上承載,於是出現了新的技術概念多協議波長交換(MPλS)。隨著對未來網路發展的的研究,MPLS的外延和內涵不斷擴展產生了通用MPLS(GMPLS)技術,其中也包含MPλS相關內容。

  GMPLS也是MPLS的擴展,更準確地說,是MPLS-TE的擴展。由於GMPLS主要是擴展了對於傳輸網路的管理,而傳輸網路的主要業務為點到點業務,這與MPLS-TE的業務模型非常相似,因此GMPLS主要藉助MPLS-TE的協議棧,將其加以擴展而形成。

  與MPLS完全相同,GMPLS網路也由兩個主要元素組成:標記交換節點和標記交換路徑。但GMPLS的LSR包括所有類型的節點,這些LSR上的介面可以細分為若干等級:分組交換能力(PSC)介面、時分復用能力(TDM)介面、波長交換能力(LSC)介面和光纖交換能力(FSC)介面。而LSP則既可以是一條傳遞IP包的虛通路,也可以是一條TDM電路,或是一條DWDM的波道,甚至是一根光纖。GMPLS分別為電路交換和光交換設計了專用的標記格式,以滿足不同業務的需求。在非分組交換的網路中,標記僅用於控制平面而不用於用戶平面。一條TDM電路(TDM-LSP)的建立過程與一條分組交換的連接(PSC-LSP)的建立過程完全相同,源端發送標記請求消息后,目的端返回標記映射消息。所不同的是,標記映射消息中所分配的標記與時隙或光波一一對應。

  傳統網路模型中,傳輸層、鏈路層、網路層在控制層面上相互獨立,各自使用本層協議在本層內的設備之間互通,也形成了各自的標準體系。而在GMPLS的體系結構中,沒有語言的差異,只有分工的不同,GMPLS成了各層設備的共同語言。

7 MPSL -MPLS的標準化進展

  MPLS技術的標準化工作仍在進行之中,主要的組織有IETF、ITU和MPLS Forum。最有影響力的當數IETF的MPLS工作組,它獨立於各個設備實現廠家,現有的MPLS相關協議基本上來自於這個工作組,以及該組織後來派生出流量工程工作組和MPLS VPN工作組,該工作組前後公布了超過300個RFC和相關草案。

  IETF MPLS工作組確定了MPLS的工作機制(底層轉發、支持多種網路層協議),解決多種交換式路由技術的兼容性問題,提供彈性、擴展性好的交換式路由技術,同時加強了MPLS應用技術的研究(提供增值服務、與光纖傳輸網的融合、流量工程等)。其中比較重要的幾個標準有RFC3031(MPLS體系結構)、RFC3032(MPLS標記棧編碼)、RFC3036(LDP規範)以及RFC3037(LDP可行性)。

  ITU-T將工作重點由ATM MPLS轉移到IP MPLS的標準化;MPLS Forum則將工作重點在放在流量工程、服務類型、服務質量以及VPN方面。

  由於MPLS標準制定尚未完成,MPLS設備的研發、試驗當然也存在許多分歧。以MPLS流量工程採用什麼標籤分發協議為例,目前以Nortel為代表的廠商主張使用CR-LDP協議作為MPLS流量工程的信令協議,而以Cisco為代表的廠商則主張使用RSVP-TE流量工程擴展。雖然ITU-T等標準化組織推薦使用LDP/CR-LDP協議作為公網傳輸的標準信令,但二者都有很強的企業支持,最終將只能由市場決定勝負。

  為推動中國IP多媒體數據通信網路標準化的發展,1999年由國內電信研究機構聯合諸多通信企業成立了中國IP和多媒體標準研究組。研究組成立后,便將MPLS系列標準作為該研究組的一項重要標準進行研究和制訂。截至目前,已經制訂併發行《MPLS總體技術要求》,《MPLS測試規範》也已經完成徵求意見稿,有望在2002年10月研究組會議中對該規範徵求意見稿進行審查。

  《MPLS總體技術要求》適用於MPLS邊緣節點設備、MPLS域內節點設備以及MPLS與特定鏈路層技術相結合的設備。該標準規定了MPLS的基本技術、控制協議以及MPLS在網路層和鏈路層的功能、性能參數、標記封裝與分發以及流量工程等各方面的要求。尤其需要指出的是在總體技術要求中,根據中國電信網建設的實際情況,選擇了LDP/CR-LDP作為MPLS設備必須支持的信令協議。RSVP-TE協議只作為可選,在附錄中進行了描述。

  《MPLS測試規範》的制定將為中國多協議標記交換設備的研製、生產、檢驗和工程應用提供統一的依據,也為進口該類品提供統一的檢驗標準。該標準主要規定了MPLS設備的標記交換功能測試、標記分發協議一致性測試、MPLS設備性能測試以及MPLS CoS功能性能測試等內容。

  由於MPLS VPN、GMPLS、MPLS TE等技術受到業界的廣泛關注,在研究組內也加強了對這些熱點問題的跟蹤研究,MPLS相關標準也在緊張制訂中。

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